Obsah:

Zemský štít: Kde má naša planéta magnetické pole?
Zemský štít: Kde má naša planéta magnetické pole?

Video: Zemský štít: Kde má naša planéta magnetické pole?

Video: Zemský štít: Kde má naša planéta magnetické pole?
Video: The Reason behind “Flash Frozen Mammoths”: Pole Flip, Younger Dryas, or Something Unthought of? 2024, Marec
Anonim

Magnetické pole chráni povrch Zeme pred slnečným vetrom a škodlivým kozmickým žiarením. Funguje ako akýsi štít – bez jeho existencie by bola atmosféra zničená. Prezradíme vám, ako sa formovalo a menilo magnetické pole Zeme.

Štruktúra a charakteristika magnetického poľa Zeme

Zemské magnetické pole alebo geomagnetické pole je magnetické pole generované vnútrozemskými zdrojmi. Predmet štúdia geomagnetizmu. Objavil sa pred 4, 2 miliardami rokov.

Vlastné magnetické pole Zeme (geomagnetické pole) možno rozdeliť na tieto hlavné časti:

  • hlavné pole,
  • polia svetových anomálií,
  • vonkajšie magnetické pole.

Hlavné pole

Viac ako 90 % z nej tvorí pole, ktorého zdroj je vo vnútri Zeme, v tekutom vonkajšom jadre – táto časť sa nazýva hlavné, hlavné alebo normálne pole.

Aproximuje sa vo forme harmonického radu - Gaussov rad a pri prvom priblížení blízko povrchu Zeme (až do troch jeho polomerov) je blízko magnetického dipólového poľa, to znamená, že vyzerá ako Zem. je pásový magnet s osou smerujúcou približne zo severu na juh.

Polia svetových anomálií

Reálne siločiary magnetického poľa Zeme, hoci sú v priemere blízke siločiaram dipólu, sa od nich líšia miestnymi nepravidelnosťami spojenými s prítomnosťou zmagnetizovaných hornín v kôre umiestnenej blízko povrchu.

Z tohto dôvodu sú na niektorých miestach na zemskom povrchu parametre poľa veľmi odlišné od hodnôt v blízkych oblastiach a tvoria takzvané magnetické anomálie. Môžu sa navzájom prekrývať, ak zmagnetizované telesá, ktoré ich spôsobujú, ležia v rôznych hĺbkach.

Vonkajšie magnetické pole

Je určená zdrojmi v podobe prúdových systémov umiestnených mimo zemského povrchu, v jeho atmosfére. V hornej časti atmosféry (100 km a viac) - ionosfére - sa jej molekuly ionizujú a vytvárajú hustú studenú plazmu, ktorá stúpa vyššie, teda časť magnetosféry Zeme nad ionosférou siaha až do vzdialenosti troch jej polomerov sa nazýva plazmosféra.

Plazma je držaná magnetickým poľom Zeme, ale jej stav je určený interakciou so slnečným vetrom – plazmovým tokom slnečnej koróny.

Vo väčšej vzdialenosti od zemského povrchu je teda magnetické pole asymetrické, pretože sa pôsobením slnečného vetra skresľuje: od Slnka sa sťahuje a v smere od Slnka získava „stopu“, ktorá sa rozširuje. na stovky tisíc kilometrov až za obežnú dráhu Mesiaca.

Táto zvláštna "chvostá" forma vzniká, keď sa zdá, že plazma slnečného vetra a solárnych korpuskulárnych prúdov prúdi okolo zemskej magnetosféry - oblasti blízkozemského priestoru, stále kontrolovaného magnetickým poľom Zeme, a nie Slnkom a inými medziplanetárne zdroje.

Od medziplanetárneho priestoru je oddelený magnetopauzou, kde je dynamický tlak slnečného vetra vyvážený tlakom vlastného magnetického poľa.

Parametre poľa

Vizuálne znázornenie polohy čiar magnetickej indukcie zemského poľa zabezpečuje magnetická ihla upevnená tak, že sa môže voľne otáčať okolo vertikálnej aj horizontálnej osi (napríklad v kardanovom závese), - v každom bode blízko povrchu Zeme je inštalovaný určitým spôsobom pozdĺž týchto línií.

Keďže magnetické a geografické póly sa nezhodujú, magnetická strelka ukazuje len približný smer sever-juh.

Vertikálna rovina, v ktorej je inštalovaná magnetická strelka, sa nazýva rovina magnetického poludníka daného miesta a priamka, po ktorej sa táto rovina pretína s povrchom Zeme, sa nazýva magnetický poludník.

Magnetické poludníky sú teda projekcie siločiar magnetického poľa Zeme na jej povrch, ktoré sa zbiehajú k severnému a južnému magnetickému pólu. Uhol medzi smermi magnetického a geografického poludníka sa nazýva magnetická deklinácia.

Môže byť západný (často označený znamienkom „-“) alebo východný (znamienko „+“) v závislosti od toho, či sa severný pól magnetickej strelky odchyľuje od vertikálnej roviny geografického poludníka na západ alebo na východ.

Ďalej, čiary magnetického poľa Zeme, všeobecne povedané, nie sú rovnobežné s jej povrchom. To znamená, že magnetická indukcia poľa Zeme neleží v rovine horizontu daného miesta, ale zviera s touto rovinou určitý uhol – nazýva sa to magnetický sklon. K nule je blízko len v bodoch magnetického rovníka – obvode veľkého kruhu v rovine, ktorá je kolmá na magnetickú os.

Obrázok
Obrázok

Výsledky numerického modelovania magnetického poľa Zeme: vľavo - normálne, vpravo - počas inverzie

Povaha zemského magnetického poľa

Prvýkrát sa J. Larmor pokúsil vysvetliť existenciu magnetických polí Zeme a Slnka v roku 1919, keď navrhol koncept dynama, podľa ktorého k udržaniu magnetického poľa nebeského telesa dochádza pri pôsobení hydrodynamického pohybu elektricky vodivého média.

T. Cowling však v roku 1934 dokázal vetu o nemožnosti udržať osovo symetrické magnetické pole pomocou hydrodynamického dynamo mechanizmu.

A keďže väčšina skúmaných nebeských telies (a ešte viac Zeme) bola považovaná za osovo symetrickú, na základe toho bolo možné vysloviť predpoklad, že aj ich pole bude osovo symetrické a následne jeho generovanie podľa tohto princípu by podľa tejto vety nebolo možné.

Dokonca aj Albert Einstein bol skeptický k uskutočniteľnosti takéhoto dynama vzhľadom na nemožnosť existencie jednoduchých (symetrických) riešení. Až oveľa neskôr sa ukázalo, že nie všetky rovnice s osovou symetriou popisujúce proces generovania magnetického poľa budú mať osovo symetrické riešenie, a to ani v 50. rokoch. našli sa asymetrické riešenia.

Odvtedy sa teória dynama úspešne rozvíja a dnes je všeobecne akceptovaným najpravdepodobnejším vysvetlením pôvodu magnetického poľa Zeme a iných planét samobudený mechanizmus dynama založený na generovaní elektrického prúdu vo vodiči. keď sa pohybuje v magnetickom poli generovanom a zosilňovanom samotnými týmito prúdmi.

V jadre Zeme sa vytvárajú potrebné podmienky: v tekutom vonkajšom jadre, pozostávajúcom najmä zo železa s teplotou asi 4-6 tisíc Kelvinov, ktoré dokonale vedie prúd, sa vytvárajú konvekčné toky, ktoré odvádzajú teplo z pevného vnútorného jadra. (vzniká v dôsledku rozpadu rádioaktívnych prvkov alebo uvoľňovania latentného tepla počas tuhnutia hmoty na hranici medzi vnútorným a vonkajším jadrom pri postupnom ochladzovaní planéty).

Coriolisove sily krútia tieto prúdy do charakteristických špirál, ktoré tvoria takzvané Taylorove stĺpy. V dôsledku trenia vrstiev získavajú elektrický náboj a vytvárajú slučkové prúdy. Vzniká tak systém prúdov, ktoré cirkulujú po vodivom okruhu vo vodičoch pohybujúcich sa v (spočiatku prítomnom, aj keď veľmi slabom) magnetickom poli, ako vo Faradayovom disku.

Vytvára magnetické pole, ktoré pri priaznivej geometrii tokov zväčšuje počiatočné pole, a to zase zväčšuje prúd a proces zosilňovania pokračuje, kým straty Jouleho tepla, ktoré sa zvyšujú so zvyšujúcim sa prúdom, nevyrovnajú prítoky energie v dôsledku hydrodynamických pohybov.

Predpokladalo sa, že dynamo môže byť excitované v dôsledku precesie alebo slapových síl, teda že zdrojom energie je rotácia Zeme, avšak najrozšírenejšia a najrozvinutejšia hypotéza je, že ide práve o termochemickú konvekciu.

Zmeny v magnetickom poli Zeme

Inverzia magnetického poľa je zmena smeru magnetického poľa Zeme v geologickej histórii planéty (určená paleomagnetickou metódou).

Pri inverzii sa magnetický sever a magnetický juh obrátia a strelka kompasu začne ukazovať opačným smerom. Inverzia je pomerne zriedkavý jav, ktorý sa počas existencie Homo sapiens nikdy nevyskytol. Pravdepodobne sa to naposledy stalo asi pred 780 tisíc rokmi.

K zvratom magnetického poľa dochádzalo v časových intervaloch od desiatok tisíc rokov až po obrovské intervaly pokojného magnetického poľa v trvaní desiatok miliónov rokov, kedy k zvratom nedochádzalo.

Pri prevrátení pólov sa teda nenašla žiadna periodicita a tento proces sa považuje za stochastický. Po dlhých periódach pokojného magnetického poľa môžu nasledovať periódy viacerých zvratov s rôznym trvaním a naopak. Štúdie ukazujú, že zmena magnetických pólov môže trvať niekoľko stoviek až niekoľko stoviek tisíc rokov.

Odborníci z Johns Hopkins University (USA) naznačujú, že počas zvratov zemská magnetosféra zoslabla natoľko, že kozmické žiarenie by mohlo dosiahnuť zemský povrch, takže tento jav by mohol poškodiť živé organizmy na planéte a ďalšia zmena pólov by mohla viesť k ešte viac vážne následky pre ľudstvo až po globálnu katastrofu.

Vedecké práce v posledných rokoch ukázali (vrátane experimentu) možnosť náhodných zmien v smere magnetického poľa ("skoky") v stacionárnom turbulentnom dyname. Podľa vedúceho laboratória geomagnetizmu Ústavu fyziky Zeme Vladimíra Pavlova je inverzia na ľudské pomery pomerne dlhý proces.

Geofyzici z University of Leeds Yon Mound a Phil Livermore veria, že o niekoľko tisíc rokov dôjde k inverzii zemského magnetického poľa.

Posun magnetických pólov Zeme

Prvýkrát boli súradnice magnetického pólu na severnej pologuli určené v roku 1831, opäť - v roku 1904, potom v rokoch 1948 a 1962, 1973, 1984, 1994; na južnej pologuli - v roku 1841, znova - v roku 1908. Posun magnetických pólov sa zaznamenáva od roku 1885. Za posledných 100 rokov sa magnetický pól na južnej pologuli posunul takmer o 900 km a vstúpil do južného oceánu.

Najnovšie údaje o stave arktického magnetického pólu (pohybujúceho sa smerom k východnej sibírskej svetovej magnetickej anomálii cez Severný ľadový oceán) ukázali, že od roku 1973 do roku 1984 bol jeho dojazd 120 km, od roku 1984 do roku 1994 - viac ako 150 km. Hoci sú tieto čísla vypočítané, sú potvrdené meraniami severného magnetického pólu.

Po roku 1831, kedy bola pozícia pólu po prvý raz stanovená, sa v roku 2019 pól už posunul o viac ako 2 300 km smerom na Sibír a naďalej sa pohybuje so zrýchlením.

Jeho cestovná rýchlosť sa zvýšila z 15 km za rok v roku 2000 na 55 km za rok v roku 2019. Tento rýchly posun si vyžaduje častejšie úpravy navigačných systémov, ktoré využívajú magnetické pole Zeme, ako sú kompasy v smartfónoch alebo záložné navigačné systémy pre lode a lietadlá.

Sila zemského magnetického poľa klesá, a to nerovnomerne. Za posledných 22 rokov klesol v priemere o 1,7 % a v niektorých regiónoch, ako napríklad v južnom Atlantickom oceáne, o 10 %. Na niektorých miestach sa sila magnetického poľa oproti všeobecnému trendu dokonca zvýšila.

Zrýchlenie pohybu pólov (v priemere o 3 km / rok) a ich pohyb po koridoroch inverzií magnetických pólov (tieto koridory umožnili odhaliť viac ako 400 paleoinverzií) naznačuje, že pri tomto pohybe pólov je by nemal vidieť exkurziu, ale ďalšiu inverziu magnetického poľa Zeme.

Ako vzniklo magnetické pole Zeme?

Odborníci zo Scrippsovho oceánografického inštitútu a Kalifornskej univerzity navrhli, že magnetické pole planéty bolo tvorené plášťom. Americkí vedci vyvinuli hypotézu, ktorú pred 13 rokmi navrhla skupina výskumníkov z Francúzska.

Je známe, že odborníci dlho tvrdili, že magnetické pole vytváralo vonkajšie jadro Zeme. Potom však odborníci z Francúzska navrhli, že plášť planéty bol vždy pevný (od okamihu jej zrodu).

Tento záver prinútil vedcov myslieť si, že to nebolo jadro, ktoré mohlo tvoriť magnetické pole, ale tekutá časť spodného plášťa. Zloženie plášťa je silikátový materiál, ktorý sa považuje za zlý vodič.

Ale keďže spodný plášť musel zostať tekutý po miliardy rokov, pohyb kvapaliny v ňom nevytváral elektrický prúd a v skutočnosti bolo jednoducho potrebné vytvoriť magnetické pole.

Profesionáli sa dnes domnievajú, že plášť mohol byť silnejším potrubím, ako sa doteraz predpokladalo. Tento záver špecialistov plne ospravedlňuje stav ranej Zeme. Silikátové dynamo je možné len vtedy, ak elektrická vodivosť jeho kvapalnej časti bola oveľa vyššia a mala nízky tlak a teplotu.

Odporúča: